Transformer网络

Transformer网络可以利用数据之间的相关性，最近需要用到这一网络，在此做一些记录。

1、Transformer网络概述

Transformer网络最初被设计出来是为了自然语言处理、语言翻译任务，这里解释的也主要基于这一任务展开。

在 Transformer 出现之前，递归神经网络(RNN)是自然语言处理的首选解决方案。当提供一个单词序列时，递归神经网络(RNN)将处理第一个单词，并将结果反馈到处理下一个单词的层。这使它能够跟踪整个句子，而不是单独处理每个单词。但是这种方法只能顺序的处理单词，同时对于长序列的文本无法有效处理，当两个单词距离过远时会出现梯度消失的问题。

Transformer使并行处理整个序列成为可能，从而可以将顺序深度学习模型的速度和容量扩展到前所未有的速度。其次引入了“注意机制”，可以在正向和反向的非常长的文本序列中跟踪单词之间的关系。

Transformer 架构是以encoder/decoder架构为基础，整体结构如下图所示，在Encoder和Decoder中都使用了Self-attention, Point-wise和全连接层。Encoder和decoder的大致结构分别如下图的左半部分和右半部分所示。

1.1 编码器

编码组件部分由N个编码器（encoder）构成，每个编码器的结构均相同（但它们不共享权重），每层有两个子层：自注意力层（self-attention） 和 全连接的前馈网络层（feed-forward）。

从编码器输入的句子首先会经过一个自注意力层，这层帮助编码器在对每个单词编码时关注输入句子的其他单词。自注意力层的输出会传递到前馈神经网络中。每个位置的单词对应的前馈神经网络都完全一样（另一种解读就是一层窗口为一个单词的一维卷积神经网络）。

每两个子层中外都套了一个残差连接（residual connections），然后是层归一化（layer normalization）。为了实现残差（输入x与输出可以直接相加），模型中的所有子层以及嵌入层都会产生维度512的输出。

1.2 解码器

解码组件也由N个相同的解码器堆叠而成，也有自注意力（self-attention）层和前馈（feed-forward）层。除此之外，这两个层之间还有一个注意力层，用来关注输入句子的相关部分（和seq2seq模型的注意力作用相似）。

修改解码器中的Self-attention子层以防止当前位置Attend到后续位置。这种Masked的Attention是考虑到输出Embedding会偏移一个位置，确保了生成位置i的预测时，仅依赖小于i的位置处的已知输出，相当于把后面不该看到的信息屏蔽掉。

2、transformer推理训练

transformer的输入包含两部分：

inputs: 原句子对应的tokens，且是完整句子。一般0表示句子开始(​​​​​)，1表示句子结束(​​​​​)，2为填充(​​​​)。填充的目的是为了让不同长度的句子变为同一个长度，这样才可以组成一个batch。在代码中，该变量一般取名src。

outputs：(shifted right) 上一个阶段的输出。虽然名字叫outputs，但是它是输入。最开始为0（​​​​​），然后本次预测出“我”后，下次调用Transformer的该输入就变成​​ 我​​。在代码中，该变量一般取名tgt。Transformer的输出是一个概率分布。

后续逐步进行推理：

在Transformer推理时，我们是一个词一个词的输出，但在训练时这样做效率太低了，所以我们会将target一次性给到Transformer（当然，你也可以按照推理过程做），如图所示：

Transformer的训练过程和推理过程主要有以下几点异同：

源输入src相同：对于Transformer的inputs部分(src参数)一样，都是要被翻译的句子。

目标输入tgt不同：在Transformer推理时，tgt是从​​​​​开始，然后每次加入上一次的输出（第二次输入为​​ 我​​​）。但在训练时是一次将“完整”的结果给到Transformer，这样其实和一个一个给结果上一致（可参考​ ​该篇​​​的Mask Attention部分）。这里还有一个细节，就是tgt比src少了一位，src是7个token，而tgt是6个token。这是因为我们在最后一次推理时，只会传入前n-1个token。举个例子：假设我们要预测​​ 我 爱 你 ​​​（这里忽略pad），我们最后一次的输入tgt是​​ 我 爱 你​​​（没有​​​​），因此我们的输入tgt一定不会出现目标的最后一个token，所以一般tgt处理时会将目标句子删掉最后一个token。

输出数量变多：在训练时，transformer会一次输出多个概率分布。例如上图，​​我​​​就的等价于是tgt为​​​​​时的输出，​​爱​​​就等价于tgt为​​ 我​​​时的输出，依次类推。当然在训练时，得到输出概率分布后就可以计算loss了，并不需要将概率分布再转成对应的文字。注意这里也有个细节，我们的输出数量是6，对应到token就是​​我 爱 你 ​​​，这里少的是​​​​​，因为​​​​​不需要预测。计算loss时，我们也是要和的这几个token进行计算，所以我们的label不包含​​​​​。代码中通常命名为​​tgt_y​​

3、nn.transformer函数

pytorch提供了对应的transformer函数 nn.Transformer：

CLASS torch.nn.Transformer(d_model=512, nhead=8, num_encoder_layers=6, 
   num_decoder_layers=6, dim_feedforward=2048, dropout=0.1, activation=<function relu>, 
   custom_encoder=None, custom_decoder=None, layer_norm_eps=1e-05, batch_first=False, 
   norm_first=False, device=None, dtype=None)
1
2
3
4

对应的输入参数：

• d_model (int) – the number of expected features in the encoder/decoder inputs (default=512).Encoder和Decoder输入参数的特征维度。也就是词向量的维度。默认为512
• nhead (int) – the number of heads in the multiheadattention models (default=8).多头注意力机制中，head的数量。该值并不影响网络的深度和参数数量。默认值为8
• num_encoder_layers (int) – the number of sub-encoder-layers in the encoder (default=6). TransformerEncoderLayer的数量。该值越大，网络越深，网络参数量越多，计算量越大。默认值为6
• num_decoder_layers (int) – the number of sub-decoder-layers in the decoder (default=6). TransformerDecoderLayer的数量。该值越大，网络越深，网络参数量越多，计算量越大。默认值为6
• dim_feedforward (int) – the dimension of the feedforward network model (default=2048). Feed Forward层（Attention后面的全连接网络）的隐藏层的神经元数量。该值越大，网络参数量越多，计算量越大。默认值为2048
• dropout (float) – the dropout value (default=0.1).
• activation (Union[str, Callable[[Tensor], Tensor]]) – the activation function of encoder/decoder intermediate layer, can be a string (“relu” or “gelu”) or a unary callable. Default: relu. Feed Forward层的激活函数。取值可以是string(“relu” or “gelu”)或者一个一元可调用的函数。默认值是relu
• custom_encoder (Optional[Any]) – custom encoder (default=None).自定义Encoder。若不想用官方实现的TransformerEncoder，可以自己实现一个。默认值为None
• custom_decoder (Optional[Any]) – custom decoder (default=None). 自定义Decoder。若不想用官方实现的TransformerDecoder，可以自己实现一个。
• layer_norm_eps (float) – the eps value in layer normalization components (default=1e-5). Add&Norm​​层中，BatchNorm的eps参数值。默认为1e-5
• batch_first (bool) – If True, then the input and output tensors are provided as (batch, seq, feature). Default: False (seq, batch, feature) .batch维度是否是第一个。如果为True，则输入的shape应为(batch_size, 词数，词向量维度)，否则应为(词数, batch_size, 词向量维度)。默认为False。这个要特别注意，因为大部分人的习惯都是将batch_size放在最前面，而这个参数的默认值又是False，所以会报错。
• norm_first (bool) – if True, encoder and decoder layers will perform LayerNorms before other attention and feedforward operations, otherwise after. Default: False (after). 是否要先执行norm。例如，在图中的执行顺序为​​Attention -> Add -> Norm​​​。若该值为True，则执行顺序变为：​​Norm -> Attention -> Add​​。

[注意]：nn.Transformer并没有包含Transformer的所有结构，需要自己实现position embedding等结构

target sequence代表多头attention当中q（查询）的序列，source sequence代表k（键值）和v（值）的序列。例如，当decoder在做self-attention的时候，target sequence和source sequence都是它本身，所以此时L=S，都是decoder编码的序列长度。

在训练时，可以直接输入所有目标句子，通过mask确保本质上是一个个输入。而在测试过程中，只能一个单词一个单词的进行输出，是串行进行的。

4、其他transformer实现

4.1 convtransformer

将向量tensor计算转换为卷积操作，但是目前只有非官方的实现，存在一些bug需要自行修改：github